VISoR高速三維成像技術(shù)顯示獼猴大腦內(nèi)的神經(jīng)纖維

神經(jīng)纖維是大腦所有意識(shí)、思維活動(dòng)中信息傳遞的載體。大腦中的每個(gè)神經(jīng)細(xì)胞有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)，可以生長(zhǎng)出很長(zhǎng)的纖維分支投射到大腦的不同區(qū)域，從而形成復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系并進(jìn)行信息的交流。

因此，想解析到大腦中這種超精細(xì)的細(xì)節(jié)并非易事，這就要求必須達(dá)到亞細(xì)胞分辨率級(jí)別的三維成像才能實(shí)現(xiàn)。

神經(jīng)纖維的特征是“細(xì)而長(zhǎng)”，其直徑通常小于1微米，也就是頭發(fā)絲的1/100，長(zhǎng)度則可達(dá)幾十厘米，是直徑的數(shù)十萬(wàn)倍。并且，有時(shí)會(huì)通過(guò)大量分支覆蓋近半個(gè)大腦的范圍，這時(shí)用電鏡等高分辨方法做局部成像，已然不能獲得即使是一個(gè)神經(jīng)細(xì)胞的全貌。

因此，需要一種能同時(shí)滿足高精度、大范圍“雙重要求”的三維高清“地圖”，以實(shí)現(xiàn)神經(jīng)纖維的長(zhǎng)距離追蹤。

近日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院腦認(rèn)知與腦疾病研究所和合肥綜合性國(guó)家科學(xué)中心人工智能研究院與國(guó)內(nèi)外團(tuán)隊(duì)合作自主研發(fā)了一種高通量、高精度的三維熒光成像VIsoR技術(shù)和靈長(zhǎng)類(lèi)腦圖譜繪制SMART流程，實(shí)現(xiàn)了獼猴大腦的微米級(jí)分辨率三維解析。

VISoR成像系統(tǒng)可以在100小時(shí)內(nèi)完成獼猴全腦樣品1×1×2.5微米三維分辨率的獼猴全腦圖像采集，研究中兩只獼猴大腦圖像的原始數(shù)據(jù)量逾1PB（千萬(wàn)億字節(jié)，其數(shù)據(jù)儲(chǔ)存大小相當(dāng)于113塊10T硬盤(pán)），這是迄今世界上最高精度的靈長(zhǎng)類(lèi)動(dòng)物的腦圖譜。

相關(guān)論文

相關(guān)研究以《以微米分辨率對(duì)整個(gè)恒河猴大腦進(jìn)行高通量繪圖》為題發(fā)表于Nature Biotechnology。由畢國(guó)強(qiáng)教授、劉北明教授擔(dān)任共同通訊作者，中科院深理工、深圳先進(jìn)院副研究員徐放，中科大研究生、中科院深理工、深圳先進(jìn)院腦所客座學(xué)生沈燕、丁露鋒、楊朝宇是該論文第一作者。

那么，我們可以從這些圖像里面洞悉到什么？它又將告訴我們什么？推特一位用戶(hù)這樣評(píng)論：它也許告訴了我們成千上萬(wàn)的事情，就像地球的“地圖”一樣，取決于你用這個(gè)工具來(lái)問(wèn)什么問(wèn)題。

徐放表示，獼猴是作為研究人類(lèi)智力以及人腦疾病機(jī)理最合適的非人靈長(zhǎng)類(lèi)模式動(dòng)物，該技術(shù)為靈長(zhǎng)類(lèi)大腦的介觀聯(lián)接圖譜研究打開(kāi)了一扇門(mén)。有了這樣精細(xì)的三維“地圖”，便可以真正地認(rèn)識(shí)、模擬大腦的工作機(jī)制，從而進(jìn)一步設(shè)計(jì)未來(lái)的類(lèi)腦智能系統(tǒng)。

獼猴大腦中的神經(jīng)細(xì)胞

自主研發(fā)高速三維成像技術(shù)，首次獲取獼猴大腦三維高清成像

通常，熒光顯微光學(xué)切片斷層成像與序列雙光子斷層掃描技術(shù)需要數(shù)天時(shí)間才能完成一個(gè)鼠腦的成像，而使用該團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)的VISoR高速三維成像技術(shù)只需要0.5小時(shí)～2小時(shí)，速度上提升了幾十倍。

據(jù)悉，該團(tuán)隊(duì)自2015年開(kāi)始在中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)專(zhuān)項(xiàng)和國(guó)家自然科學(xué)基金支持下研發(fā)VISoR高速三維成像技術(shù)，目的是為了滿足腦科學(xué)研究中的廣泛需求，獲得實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的大腦三維結(jié)構(gòu)圖像，繪制不同尺度的腦神經(jīng)聯(lián)接圖譜。

獼猴大腦的三維高分辨重建圖（a）、截面圖（b）、內(nèi)部神經(jīng)纖維展示（c），以及部分神經(jīng)纖維的全腦示蹤和可視化（d）

徐放表示，該技術(shù)原理與我們用手機(jī)拍全景圖相同，為了實(shí)現(xiàn)介觀尺度的大腦三維成像，需要切換不同視野，對(duì)腦樣品的各個(gè)小區(qū)域分別拍照，最后將數(shù)百萬(wàn)張小圖拼接合成完整的三維圖像。因此，成像速度非常關(guān)鍵。

傳統(tǒng)技術(shù)成像速度慢的根本原因在于，拍照時(shí)樣品是靜止的，待拍完一個(gè)視野切換到下一視野進(jìn)行拍照的過(guò)程中，需要把樣品由靜止?fàn)顟B(tài)加速并移動(dòng)一段距離再減速靜止。

使用SMART流程重建的獼猴大腦神經(jīng)纖維結(jié)構(gòu)

在這些步驟里，每次在樣品靜止時(shí)的相機(jī)曝光時(shí)間非常短，而移動(dòng)視野的過(guò)程花費(fèi)的時(shí)間比曝光時(shí)間長(zhǎng)很多。也就是說(shuō)，相機(jī)在大部分時(shí)間都是空閑的，它的成像速度在“等待”中被浪費(fèi)了。

假如將光片照明成像與透明腦技術(shù)相結(jié)合，雖然在速度上很快，但是其分辨率遠(yuǎn)不夠高。鑒于此，團(tuán)隊(duì)中的高級(jí)工程師祝清源博士提出一個(gè)新的成像模式：何不試試在樣品勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)連續(xù)拍攝呢？從而可以達(dá)到最高的時(shí)間利用率，獲得相機(jī)最大極限的成像速度。

獼猴丘腦核團(tuán)的介觀投射

但是，另一個(gè)問(wèn)題隨之而來(lái)，在運(yùn)動(dòng)中成像容易造成因不穩(wěn)定而產(chǎn)生圖像模糊的問(wèn)題，該如何解決呢？

據(jù)介紹，該技術(shù)另一個(gè)關(guān)鍵是畢國(guó)強(qiáng)教授想到的利用掃描光束照明?！拔覀儑?yán)格同步光束掃描與相機(jī)拍攝讀出，樣品中每個(gè)點(diǎn)只被照明一次，幾乎完全避免了因樣品運(yùn)動(dòng)不穩(wěn)定而帶來(lái)的成像模糊問(wèn)題。并且，這種成像方式對(duì)光的利用率高，從而最終得到較高的圖像信噪比。”畢國(guó)強(qiáng)解釋道。

由于VISoR成像技術(shù)是切片透明再成像，因此，它對(duì)生物組織學(xué)的各種標(biāo)記具有可兼容性與普適性，這解決了以往全腦透明難以進(jìn)行深層均勻染色和均勻透明的“卡脖子”問(wèn)題。

此外，VISoR成像技術(shù)還有具有很好的可擴(kuò)展性。畢國(guó)強(qiáng)解釋道，“事實(shí)上樣品越大拍攝效率還會(huì)越高，所以，這一技術(shù)可以很自然地從老鼠腦擴(kuò)展到猴腦，將來(lái)也許可以應(yīng)用到人腦?！?h3>實(shí)現(xiàn)各模型動(dòng)物大腦高精度、高通量解析，或加速更精準(zhǔn)的醫(yī)療診斷和藥物研發(fā)

VISoR成像技術(shù)的應(yīng)用并不局限于腦部，在生命科學(xué)、醫(yī)學(xué)等有大尺度三維成像需求的領(lǐng)域都有非常廣闊的應(yīng)用場(chǎng)景。

VISoR技術(shù)成像的不同器官組織結(jié)構(gòu)圖像（從左至右依次為：鼠腦橫截面、獼猴腦橫截面、獼猴小腦）

例如，目前的臨床病理診斷是基于組織切片二維顯微圖像。雖然人工智能分析方法已開(kāi)始應(yīng)用于這些圖像的分析和輔助診斷，但是這些圖像數(shù)據(jù)本身具有局限性，如不具備完整的三維結(jié)構(gòu)，受到樣品切片角度、位置的影響比較大，數(shù)據(jù)量也相對(duì)較小等。

而應(yīng)用高速VISoR成像技術(shù)，則可以將當(dāng)前的二維檢測(cè)“升級(jí)”為高通量三維成像，更適于人工智能大數(shù)據(jù)分析，更加充分地利用生物、病理、手術(shù)組織樣本，也將更大程度挖掘其中蘊(yùn)含的生理與病理信息。

隨著以VISoR為代表的三維成像技術(shù)的發(fā)展，基于生物組織完整三維圖像的研究和病理診斷也正在成為一個(gè)新的科學(xué)研究領(lǐng)域。

畢國(guó)強(qiáng)舉例說(shuō)道，“VISoR成像也非常適用于發(fā)育生物學(xué)研究，例如可以快速獲得完整的胚胎的三維結(jié)構(gòu)信息，從而理解其發(fā)育生長(zhǎng)過(guò)程和細(xì)胞分子機(jī)制?！?/p>

在更大尺度上，現(xiàn)有的醫(yī)學(xué)解剖學(xué)在過(guò)去幾千年大都是在肉眼分辨率下開(kāi)展的，顯微成像的應(yīng)用可以限于很小的局部。

有了類(lèi)似VIsoR的高通量顯微成像技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)在有限的時(shí)間內(nèi)對(duì)整個(gè)器官甚至整個(gè)人體做細(xì)胞分辨率或者亞細(xì)胞分辨率成像?！斑@可能為解剖學(xué)帶來(lái)一次革命，使我們對(duì)整個(gè)人體的完整構(gòu)架和結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)有前所未有的清晰理解和數(shù)字化描述?！碑厙?guó)強(qiáng)表示。

目前，該團(tuán)隊(duì)正在與具有前瞻性視野的相關(guān)醫(yī)院、CRO企業(yè)和資本等多方拓展合作。同時(shí)，與一些人工智能相關(guān)企業(yè)合作，進(jìn)行對(duì)于大規(guī)模圖像數(shù)據(jù)中的信息挖掘。并且，正在籌辦AI圖像分析大賽等活動(dòng)以尋求更廣泛社區(qū)的參與。

畢國(guó)強(qiáng)

總的來(lái)說(shuō)，生物醫(yī)學(xué)圖像的爆發(fā)與人工智能相結(jié)合，將有望更全面地理解人類(lèi)大腦和身體器官的精細(xì)結(jié)構(gòu)，并且更精準(zhǔn)地掌握其在疾病中的變化規(guī)律，加速醫(yī)療診斷和藥物研發(fā)。

VISoR工程簡(jiǎn)圖

多團(tuán)隊(duì)、跨學(xué)科、多樣化合作，終極目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)人腦的完全解析

徐放與VISoR高速三維成像設(shè)備

畢國(guó)強(qiáng)教授從2007年回國(guó)之后即致力于成像技術(shù)研發(fā)和應(yīng)用，他和劉北明教授先后在中科大和深圳先進(jìn)院組建立交叉學(xué)科團(tuán)隊(duì)，一方面，針對(duì)生物學(xué)問(wèn)題開(kāi)展研究，對(duì)領(lǐng)域的需求和瓶頸有直接的體會(huì);另一方面，基于物理學(xué)方法發(fā)展技術(shù)，對(duì)技術(shù)原理的可行性有比較清晰的把握，并習(xí)慣于從第一性原理出發(fā)解決問(wèn)題。

針對(duì)腦圖譜繪制的VISOR技術(shù)從構(gòu)思到實(shí)現(xiàn)猴腦成像歷時(shí)5年，與傳統(tǒng)的生物學(xué)實(shí)驗(yàn)研究不同，腦圖譜研究需要博采各專(zhuān)業(yè)所長(zhǎng)。

該研究中的腦圖譜SMART流程包括樣品準(zhǔn)備、樣品處理、光學(xué)成像、圖像處理、數(shù)據(jù)分析，每一步需要的專(zhuān)業(yè)知識(shí)，并且對(duì)相關(guān)研究人員的要求也不同。

“我們通過(guò)長(zhǎng)期的成長(zhǎng)與發(fā)展才建立了跨學(xué)科、多樣化的團(tuán)隊(duì)，團(tuán)隊(duì)成員包括光學(xué)專(zhuān)家、編程能手、神經(jīng)科學(xué)家等，他們有差異化的專(zhuān)業(yè)背景，各自的專(zhuān)業(yè)特長(zhǎng)和性格特點(diǎn)，這些在項(xiàng)目中都得到了完美的發(fā)揮?！毙旆耪f(shuō)。

目前，人類(lèi)對(duì)靈長(zhǎng)類(lèi)動(dòng)物大腦的認(rèn)知還有很大的探索空間，該技術(shù)可以直接拓展人類(lèi)對(duì)于靈長(zhǎng)類(lèi)動(dòng)物自身智能和腦疾病的認(rèn)識(shí)。

徐放表示，人腦其實(shí)只比猴腦大十幾倍，團(tuán)隊(duì)的終極目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)人腦的完全解析。

畢國(guó)強(qiáng)認(rèn)為，如何高效地分析和理解相關(guān)數(shù)據(jù)將是下一個(gè)挑戰(zhàn)。

論文第一作者團(tuán)隊(duì)，從左至右分別為：徐放、沈燕、丁露鋒、楊朝宇

VISoR高速三維成像技術(shù)顯示獼猴大腦內(nèi)的神經(jīng)纖維

基于現(xiàn)有技術(shù)，國(guó)內(nèi)外實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)開(kāi)展了大量小鼠全腦圖譜成像工作，獲得了大量數(shù)據(jù)，但仍然很難從這些數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架的規(guī)律、理解一個(gè)小鼠如何加工信息。所以，還需要發(fā)展新的計(jì)算方法和軟件工具來(lái)進(jìn)行深入的數(shù)據(jù)挖掘。

此外，在更大的尺度的猴腦和人腦領(lǐng)域，獲取全面的腦圖譜數(shù)據(jù)仍然是一個(gè)相當(dāng)艱巨的任務(wù)，需要更長(zhǎng)時(shí)間、更多的人和資源共同參與進(jìn)來(lái)。“隨著國(guó)家對(duì)腦科學(xué)的重視和技術(shù)的不斷發(fā)展，我相信，十幾年內(nèi)在猴腦和人腦圖譜解析方面將出現(xiàn)突破性的成果?！碑厙?guó)強(qiáng)說(shuō)。（摘自美《深科技》） （編輯/華生）